6.10: 헤스의 법칙

화학적 변화와 관련된 열량을 결정하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 즉, 실험적으로 측정하거나 실험적으로 결정된 다른 엔탈피 변화로부터 계산하는 것입니다. 일부 반응은 불가능하지는 않더라도 조사하고 실험적으로 정확한 측정을 하기가 어렵습니다. 그리고 반응을 수행하거나 측정하는 것이 어렵지 않은 경우에도 실험을 수행하지 않고도 반응에 수반되는 열을 확인할 수 있어 편리합니다.

이러한 유형의 계산에는 일반적으로 다음과 같은 헤스의 법칙이 사용됩니다. 프로세스가 여러 단계적 프로세스의 합으로 작성될 수 있는 경우 전체 프로세스의 엔탈피 변화는 다양한 단계의 엔탈피 변화의 합과 같습니다. 엔탈피는 상태 함수이기 때문에 헤스의 법칙은 유효합니다. 엔탈피 변화는 화학 공정이 시작하고 끝나는 위치에만 의존하고 시작부터 끝까지 걸리는 경로에는 의존하지 않습니다. 예를 들어, 이산화탄소를 형성하기 위한 탄소와 산소의 반응은 직접적으로 또는 2단계 공정으로 발생합니다. 직접 프로세스는 다음과 같이 작성됩니다.

2단계 과정에서 첫 번째 일산화탄소가 형성됩니다.

그런 다음 일산화탄소는 더 반응하여 이산화탄소를 형성합니다.

전체 반응을 설명하는 방정식은 다음 두 가지 화학적 변화의 합입니다.

1단계에서 생산된 CO는 2단계에서 소비되므로 순변화량은 다음과 같습니다.

헤스의 법칙에 따르면 반응의 엔탈피 변화는 단계의 엔탈피 변화의 합과 같습니다.

전체 반응의 ΔH는 한 단계에서 발생하든 두 단계에서 발생하든 상관없이 동일합니다. 이 발견(반응에 대한 전체 ΔH = 전체 반응에서 반응 "단계"에 대한 ΔH 값의 합)은 일반적으로 화학적 및 물리적 공정에 적용됩니다.

헤스의 법칙을 사용하여 문제를 해결하는 동안 유용한 것으로 입증된 ΔH에는 두 가지 중요한 기능이 있습니다. 이는 ΔH가 반응물 또는 생성물의 양에 정비례하고 잘 정의된 방식으로 반응(또는 열화학 방정식)을 변경하면 그에 따라 ΔH가 변경된다는 사실에 기초합니다.

예를 들어, 1몰의 NO_2(g)를 형성하는 반응의 엔탈피 변화는 +33.2kJ입니다.

2몰의 NO_2(두 배)가 형성되면 ΔH는 두 배 더 커집니다.

일반적으로 화학반응식을 곱하거나 나누는 경우 엔탈피의 변화도 같은 수로 곱하거나 나누어야 합니다.

한 방향의 반응에 대한 ΔH는 반대 방향의 반응에 대한 ΔH와 크기가 같고 부호가 반대입니다. 예를 들어:

그런 다음 역반응의 경우 엔탈피 변화도 반대로 나타납니다:

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.

전기 자동차에서 누출되는 수소 가스는 대기 중의 오존층과 반응하여 물을 생성할 수 있습니다. 이런 반응의 경우에는 실험실 환경에서 엔탈피 변화를 직접 측정하기는 어렵습니다. 그러나 이러한 반응을 실험실에서 두 단계로 나누어 각 단계의 엔탈피를 측정하여 수행할 수 있습니다.

1단계에서 산소 기체는 오존 가스로 변환되며 이때 델타 H_1은 285.4킬로 줄과 같습니다. 2단계에서는 수소 기체와 산소 기체가 결합하여 수증기를 생성하며 이때 델타 H_2는 마이너스 483.6킬로 줄과 같습니다. 엔탈피는 상태 함수이기 때문에 반응의 엔탈피 변화는 중간 단계에 관계없이 계의 초기 상태인 수소와 오존, 그리고 최종 상태인 물에만 의존합니다.

헤스의 총 열량 불변의 법칙에서는 화학 방정식이 여러 단계로 작성될 수 있다면 그 방정식에 대한 순 엔탈피 변화는 각 단계의 엔탈피들의 합으로 정의될 수 있다고 설명합니다. 보통 열화학 반응은 반응들의 합이 주어진 반응과 같도록 맞추어 주어야 합니다. 반응의 화학량론적 양과 방향을 변경할 수 있으며 맞추어 주는 각 반응의 새로운 엔탈피를 결정할 수 있습니다.

이 예제에서는 알려지지 않은 반응의 엔탈피를 찾기 위해 엔탈피의 변화를 알고 있는 두 단계를 추가할 수 없음을 보여 줍니다. 왜냐하면 첫 번째 방정식에서는 오존이 생성물이지만 관심을 두는 반응에서는 오존이 반응물이기 때문입니다. 이것을 해명하기 위해서 첫 번째 방정식인 흡열 반응은 오존을 산소로 분해하여 285.4킬로줄을 방출하는 역 발열 반응으로 전환되어야 합니다.

새 델타 H는 값은 같지만 부호는 반대입니다. 그럼에도 불구하고 1단계와 2단계의 역순을 더해도 화학양론계수가 다르기 때문에 오존이 물로 변환될 때와 같이 3몰의 물이 생기지 않습니다. 이를 해결하기 위해 각 반응의 화학양론계수 및 관련 엔탈피 변화에 적절한 수를 곱하여 원하는 반응에서의 계수와 상쇄되도록 해야 합니다.

엔탈피 변화가 반응물 및 생성물의 양에 따라 달라지기 때문에 계수와 엔탈피 변화 사이의 비율은 일정하게 유지됩니다. 3 몰의 물을 얻기 위해 단계 2에 2분의 3을 곱하여 새 델타 H_2에 마이너스725.4 킬로 줄의 값을 줄 수 있습니다. 1 몰의 오존을 소비하려면 1단계의 역과정에 2분의 1을 곱하여 새 델타 H_1에 마이너스 142.7 킬로 줄을 부여해야 합니다.

변형된 열화학 방정식을 합하고 반응물과 생성물 모두에 나타나는 화합물들을 상쇄하면 관심하는 반응을 얻을 수 있습니다. 새로운 델타 H 1과 H 2 를 더하면 수소와 오존 사이의 반응에 대한 엔탈피 변화는 마이너스 868.1 킬로 줄입니다.